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Notas de aula sobre Torção
Tipologia: Notas de aula
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No estudo da torção serão discutidos os efeitos da aplicação de esforços torcionais em um elemento linear longo, tal como um eixo ou um tubo. Será considerado que o elemento tenha seção transversal circular. Mostraremos como determinar tanto a distribuição de tensão no interior do elemento como o ângulo de torção quando o material comporta-se de maneira linear-elástica, ou seja, obedece à lei de Hooke.
Torque é o momento que tende a torcer o membro em torno do eu eixo longitudinal. Seu efeito é de interesse principal no projeto de eixos ou eixos de acionamento usados em veículos e maquinaria. Fisicamente, podemos ilustrar o que acontece quando um torque é aplicado em um eixo circular, considerando o eixo como feito de um material altamente deformável, como a borracha (figura 1a). Quando o torque é aplicado, os círculos e as retas longitudinais da grelha original marcada no eixo tendem a se distorcer com o padrão mostrado na figura 1b. A torção faz os círculos permanecerem como círculos e cada reta longitudinal da grelha deforma-se em hélice que intercepta os círculos em ângulos iguais. Além disso, as seções transversais do eixo permanecem planas e as retas radiais dessas seções permanecem retas durante a deformação (figura 1b). A partir dessas observações, podemos supor que, se o ângulo de rotação for pequeno, o comprimento do eixo e seu raio permanecerão inalterados.
Figura 1a
Figura 1b
A figura acima mostra a deformação do elemento retangular quando a barra de borracha é submetida a um torque.
Se o eixo estiver preso em uma extremidade e for aplicado um torque na outra extremidade, o plano sombreado da figura 2 se distorcerá e assumirá uma forma oblíqua como mostrado. Nesse caso, uma linha radial localizada na seção transversal a uma distância x da extremidade fixa do eixo girará por meio de um ângulo φ(x). O ângulo φ(x),
Figura 3
A tensão de cisalhamento é determinada na distância intermediária ρ e na extremidade do raio do elemento a partir das equações a baixo, que são geralmente chamadas de fórmulas de torção:
J
T^ ρ τ = J
Tc τ máx =
onde:
elemento;
T: torque interno resultante que atua na seção transversal; J: momento de inércia polar da seção transversal; ρ: medida intermediária entre o centro do eixo e a extremidade do raio; c: raio externo do eixo.
4
π
4 4
π
Existe ainda uma relação entre os valores de τ:
máx
Se o eixo estiver sujeito a diversos torques diferentes, ou a área da seção transversal ou ainda o módulo de elasticidade ao cisalhamento mudar abruptamente de uma região para outra, a equação para calcular o ângulo de torção será aplicada a cada segmento do eixo em que essas quantidades sejam constantes. O ângulo de torção de uma extremidade do eixo em relação à outra será, então, determinado pela adição de vetores dos ângulos de torção de cada segmento. Neste caso temos:
= (^) ∑ JG
TL φ
A convenção de sinais a fim de aplicarmos a equação anterior, segue a regra da mão direita, pela qual o torque e o ângulo serão positivos se a direção indicada pelo polegar for no sentido de afastar-se do elemento considerado quando os dedos são fechados para indicar a tendência da rotação, figura 5.
Figura 5